Концентрационные и окислительно-восстановительные гальванические элементы. Химические источники тока

Устройства, которые применяют для непосредственного преоб­разования энергии химической реакции в электрическую энергию, называются гальваническими элементами. Их назы­вают также химическими источниками электриче­ской энергии (сокращенно ХИЭЭ) или химическими источни­ками тока. Действие любого гальванического элемента основано на проте­кании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простей­шем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным про­странственное разделение окислительно-восстановительной реак­ции: окисление протекает на одном металле, а восстановление—на другом. Таким образом, электроны передаются от восстанови-, теля к окислителю по внешней цепи. Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальваниче­ский элемент, работающий за счет энергии приведенной выше ре­акции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби — Даниэля) состоит из медной пластины, погру­женной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изго­товленной из пористого материала.

Направление движения ионов в растворе обусловлено проте­кающими у электродов электрохимическими процессами. Как уже сказано, у цинкового электрода катионы выходят в раствор, созда­вая в нем избыточный положительный заряд, а у медного элек­трода раствор, наоборот, все время обедняется катионами, так что здесь раствор заряжается отрицательно. В результате этого соз­дается электрическое поле, в котором катионы, находящиеся в растворе (Сu²⁺ и Zn²⁺), движутся от цинкового электрода к мед­ному, а анионы SO4— в обратном направлении. В итоге жид­кость у обоих электродов остается электро нейтральной.